【摘 要】
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熔石英玻璃具有耐高温、抗热震、光学性能好等特点,广泛应用于各种精密与极端环境设备上,例如半导体光刻设备的窗口材料和激光核聚变装置的光学透镜等。由于熔石英玻璃脆性大与硬度高等特点,传统切削加工难度大、效率低,且刀具磨损严重。为了改善其切削性能,本研究将激光辅助加工（Laser Assisted Machining）方法应用到熔石英的切削加工中,主要开展了温度场分析与加工优化研究,具体研究内容如下:基
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目:“超精密铣削加工中的刀具与工件接触分析和动力学模拟”项目编号:51375195； 装发部十三五装备预研共同技术项目“半球谐振子薄膜制备技术”；
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熔石英玻璃具有耐高温、抗热震、光学性能好等特点,广泛应用于各种精密与极端环境设备上,例如半导体光刻设备的窗口材料和激光核聚变装置的光学透镜等。由于熔石英玻璃脆性大与硬度高等特点,传统切削加工难度大、效率低,且刀具磨损严重。为了改善其切削性能,本研究将激光辅助加工（Laser Assisted Machining）方法应用到熔石英的切削加工中,主要开展了温度场分析与加工优化研究,具体研究内容如下:基于CO2激光与熔石英玻璃的相互作用建立了激光加热模型,并结合实验得到熔石英的辐射率和随温度变化的吸收率。基于传热学理论,建立了三维圆柱瞬态传热模型,并测定了随温度变化的导热系数与比热容,然后在COMSOL中进行了模型的有限元分析,并进一步通过表面测温验证了其准确性。基于传热模型获得了工件对激光加热的响应时间、工件表面及径向温度分布、以及工艺参数对温度的影响规律,为后续切削加工参数的选择与优化提供了理论指导。通过镀金加热实验研究了工件热影响区,然后通过传热模型获得了定点预热方式下的最佳预热时间。基于传热模型与实际的切削温度范围确定了工艺参数的选择范围。在考虑切削热与接触传热的基础上,分析了切削区的温度分布,结果表明材料去除层的温度梯度大,且与聚晶金刚石（PCD）刀具存在较大温差,工件高温而刀具低温,实现了材料的软化,维系了刀具的性能,利于切削加工的进行。通过实验分析了加工表面及亚表面质量、切屑形貌和刀具磨损,验证了激光辅助切削熔石英玻璃的可行性与优越性,并结合材料去除层的温度分布,初步揭示了材料的去除机理为脆性断裂与塑性变形混合模式,为精准切削模型的建立及切削机理的研究提供了热场基础。通过神经网络建立了工艺参数与切削力之间的数学映射关系,并验证了其泛化能力与预测性能。然后利用遗传算法全局寻优得到最佳工艺参数组合,并实验验证了最优解的准确性与可靠性。在COMSOL软件中构建了粗糙表面在激光作用下的熔融流动模型,分析了流动机理、修复温度的影响因素、及温度对修复效果与流动速度的影响规律,得到微米级纹理的最佳修复温度,为优化技术的工业化应用提供了初步参考。
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